(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、電解質膜および空気極をこの順で有する単位電池と、前記単位電池の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給部とを備える燃料電池であって、
前記燃料供給部は、前記燃料極側が開放された空間からなり、液状の前記燃料を流通させるかまたは収容するための燃料供給室と、前記燃料供給室の開口を覆うように前記燃料供給室と前記単位電池との間に配置される介在層とを含み、
前記介在層は、その厚み方向における前記燃料供給室側に設けられ、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが３０ｋＰａ以上である第１領域と、その厚み方向における前記単位電池側に設けられ、気化した前記燃料を透過可能な第２領域とを有する燃料電池。
【請求項２】
前記介在層は、前記燃料供給室の開口を覆うように前記燃料供給室上に配置され、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが３０ｋＰａ以上である第１層と、前記第１層における単位電池側表面に積層され、気化した前記燃料を透過可能な第２層とから構成される２層構造を有する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１層と前記第２層との間に、厚み方向に貫通する貫通孔を有する第３層をさらに備える請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第３層は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有する熱可塑性樹脂シートである請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第３層は、接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層である請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第３層は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属板を含む請求項３に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記単位電池は、前記燃料極上に積層されるアノード集電層と、前記空気極上に積層されるカソード集電層とをさらに含む請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料は、純メタノールまたはメタノール水溶液である請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、情報化社会を支える携帯用電子機器の新規電源として実用化の期待が高まっている。燃料電池は、使用する電解質材料や燃料の分類から、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、ダイレクトアルコール型等に分類される。特に、電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池およびダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての実用化が検討されている。
【０００３】
燃料としてアルコールまたはアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池は、燃料がガスである場合と比較して、燃料貯蔵室を比較的簡易に設計できるなどの理由から、燃料電池の構造の簡略化、省スペース化が可能であり、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての期待が特に高い。
【０００４】
電解質膜としてカチオン交換膜を使用するダイレクトアルコール型燃料電池においては、燃料極に燃料（アルコールまたはアルコール水溶液）を供給すると、燃料が酸化されて、二酸化炭素等のガス（以下、副生ガスと称する。）およびプロトンが生じる。たとえば、アルコールとしてメタノールを用いた場合では、
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2↑＋６Ｈ+＋６ｅ-
の酸化反応により、副生ガスとして二酸化炭素が燃料極側で発生する。
【０００５】
燃料極側で発生したプロトンは、電解質膜を介して空気極側に伝達される。そして、当該プロトンと、空気極に供給される空気中の酸素とが、
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ
の還元反応を起こし、水が生成する。このときに電子が外部の電子機器（負荷）を通過して燃料極から空気極に移動し、電力が取り出される。
【０００６】
ダイレクトアルコール型燃料電池のような、液状の燃料（以下、液体燃料と称する。）を使用する燃料電池には、液体燃料をそのまま燃料極に供給する液体供給方式と、液体燃料の気化成分を燃料極に供給する気化供給方式とがある。たとえば特許文献１には、液体燃料収容室と燃料極との間に、気化した燃料（以下、気化燃料と称する。）を透過させる気液分離膜を配した気化供給方式の燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００８／０２３６３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載されるような、気化供給方式とするために液体燃料収容室と燃料極との間に、気体が透過可能な気液分離膜を配した燃料電池においては、燃料極で生じた副生ガスが気液分離膜を通って液体燃料収容室内に浸入する。副生ガスの液体燃料収容室内への侵入は、気液分離膜に接触する液体燃料量を低減させ、結果、燃料極への気化燃料の供給量を低下させるとともに、気化燃料の安定的な供給を阻害し、燃料電池の出力安定性を低下させる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、出力安定性が良好な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、燃料極、電解質膜および空気極をこの順で有する単位電池と、単位電池の燃料極側に配置され、燃料極に燃料を供給するための燃料供給部とを備える燃料電池であって、燃料供給部は、燃料極側が開放された空間からなり、液状の燃料（液体燃料）を流通させるかまたは収容するための燃料供給室と、燃料供給室の開口を覆うように燃料供給室と単位電池との間に配置される介在層とを含み、介在層は、その厚み方向における燃料供給室側に設けられ、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが３０ｋＰａ以上である第１領域と、その厚み方向における単位電池側に設けられ、気化した燃料（気化燃料）を透過可能な第２領域とを有する燃料電池を提供する。
【００１１】
介在層は、好ましくは、燃料供給室の開口を覆うように燃料供給室上に配置され、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが３０ｋＰａ以上である第１層と、第１層における単位電池側表面に積層され、気化した燃料を透過可能な第２層とから構成される２層構造を有するものである。
【００１２】
本発明の燃料電池は、第１層と第２層との間に、厚み方向に貫通する貫通孔を有する第３層をさらに備えることができる。第３層の好ましい一例は、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有する熱可塑性樹脂シートである。また、第３層の他の好ましい例として、接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層や、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属板を含むものを挙げることができる。
【００１３】
単位電池は、燃料極上に積層されるアノード集電層と、空気極上に積層されるカソード集電層とをさらに含むことが好ましい。燃料としては、純メタノールまたはメタノール水溶液を好ましく用いることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料極で生じた副生ガスの燃料供給室への侵入を防止することができる。これにより、燃料極に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、良好な出力安定性を維持することができる。本発明の燃料電池は、携帯電子機器への応用を目的とした小型燃料電池、とりわけ携帯電子機器搭載型の小型燃料電池として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の燃料電池の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１に示される燃料電池の概略上面図である。
【図３】図１に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。
【図４】図１に示されるＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。
【図５】図１に示されるＶ−Ｖ線における概略断面図である。
【図６】燃料供給部の他の一例を示す概略断面図である。
【図７】燃料供給部の他の一例を示す概略断面図である。
【図８】本発明の燃料電池の他の一例を示す概略断面図である。
【図９】本発明の燃料電池の他の一例を示す概略断面図である。
【図１０】図９に示される燃料電池が備える第３層を示す概略上面図である。
【図１１】実施例１で用いた介在層の第１層を示す概略上面図である。
【図１２】実施例１で用いた介在層の第２層を示す概略上面図である。
【図１３】実施例１で用いた箱筐体を示す概略上面図である。
【図１４】実施例３で用いた介在層の第３層を示す概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態の燃料電池を示す概略断面図であり、図２は当該燃料電池の概略上面図である。また、図１に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線、ＩＶ−ＩＶ線およびＶ−Ｖ線における断面図をそれぞれ図３〜図５に示している。これらの図面に示される本実施形態の燃料電池１００は、燃料極１１、電解質膜１０および空気極１２をこの順で含む膜電極複合体２０と、燃料極１１上に積層され、これに電気的に接続されたアノード集電層２１と、空気極１２上に積層され、これに電気的に接続されたカソード集電層２２とを備える単位電池３０；燃料極１１の下方に配置され、燃料極１１側が開放された空間からなる燃料供給室６０；燃料供給室６０の開口（燃料極側への開放面）を覆うように燃料供給室６０上に配置される第１層１と、第１層１の単位電池３０側表面に積層される第２層２とからなる介在層；および、燃料（図示せず）を収容するための燃料貯蔵室７０から基本的に構成されている。
【００１７】
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵室７０と、該燃料を流通させる燃料供給室６０と、燃料供給室６０の開口を覆うように配置される介在層とによって燃料電池１００の燃料供給部が形成されている。燃料貯蔵室７０と燃料供給室６０とは流路により接続されている。
【００１８】
箱筺体４０は、燃料供給室６０を形成する凹部（溝）を有しており、該凹部を覆うように第１層１を積層することにより燃料供給室６０（内部空間）が形成されている。また、箱筺体４０は、燃料電池１００の燃料供給室６０を構成する部位とともに、燃料貯蔵室７０の底壁および側壁を構成する部位を一体として有している。
【００１９】
本実施形態の燃料電池１００は、燃料極１１で生じた副生ガスを燃料電池外部に排出するための副生ガス排出部９０を有している。本実施形態において副生ガス排出部９０は、箱筺体４０の側壁を厚み方向に貫通する第１貫通穴９１と、第１層１を厚み方向に貫通する第２貫通穴９２とからなる（図４および図５参照）。第２貫通穴９２は第１貫通穴９１の直上に配置され、これらの貫通穴は連通している。
【００２０】
本実施形態の燃料電池１００は、箱筺体４０とともに、カソード集電層２２上に積層され、複数の開口５１を有する蓋筺体５０を備えており、単位電池３０は、箱筺体４０と蓋筺体５０とによって挟持されている。蓋筺体５０は、カソード集電層２２上に積層される部位とともに、燃料貯蔵室７０の上壁（天井壁）を構成する部位を一体として有しており、箱筺体４０、蓋筺体５０および、単位電池３０などの側面によって燃料貯蔵室７０が形成されている。単位電池３０および介在層の燃料貯蔵室側端面には、燃料貯蔵室７０内に収容された燃料が侵入しないよう、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物層などからなる封止層８０が形成されている。本実施形態の燃料電池１００において、燃料貯蔵室７０は、単位電池３０およびその下方に配置された燃料供給室６０の側方に配置されている。
【００２１】
燃料貯蔵室７０は、その内部空間と燃料電池１００外部とを連通する開孔７１を備えている。この開孔７１は、蓋筺体５０に設けられた貫通孔である。
【００２２】
本実施形態の燃料電池１００は、次のような動作により発電を行なう。流路を通って燃料貯蔵室７０から燃料供給室６０内に流通してきた液体燃料は、燃料供給室６０内全体に行き渡り、介在層の第１層１を濡らす。第１層１から染み出した液体燃料は、第２層２により気液分離され、気化燃料のみが単位電池３０側へ透過する。第２層２を透過した気化燃料は、アノード集電層２１の開口を通って燃料極１１に供給される。そして、液体燃料としてメタノール水溶液を例に挙げると、燃料極１１に供給されたガス状態のメタノール水溶液は、
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2↑＋６Ｈ+＋６ｅ-
の式で表される酸化反応を起こし消費される。気化燃料は、燃料電池１００の発電電流量に応じて消費されていくこととなるが、これを補うように、第２層２から液体燃料が随時蒸発を続けるため、燃料極１１近傍における気化燃料の蒸気圧は略一定に保たれる。
【００２３】
一方、空気極１２においては、蓋筺体５０の開口５１およびカソード集電層２２の開口を通って到達した空気中の酸素と、電解質膜１０を介して燃料極１１から空気極１２に伝達されたプロトンとが、
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ
の式で表される還元反応を起こす。以上の酸化還元反応により、電子が、燃料極１１→アノード集電層２１→外部の電子機器（負荷）→カソード集電層２２→空気極１２のルートで移動し、外部の電子機器に対して電力が供給される。
【００２４】
発電により燃料極１１で生じた副生ガス（上記式におけるＣＯ2）は、介在層の存在により燃料供給室６０内に浸入することはなく、アノード集電層２１の開口、第２層２および副生ガス排出部９０を通って燃料電池外部に排出される。
【００２５】
燃料供給室６０と単位電池３０との間に配置される、第１層１および第２層２からなる介在層は、燃料極１１への燃料供給を均一に、かつ適切量に制御された状態で行なうことを可能にする。これにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
【００２６】
次に、燃料電池１００を構成する各部材等について詳細に説明する。
〔介在層〕
（１）第１層
燃料供給室６０の開口（燃料極側への開放面）を覆うように（すなわち、燃料供給室６０を形成する凹部を覆うように）燃料供給室６０と単位電池３０との間に配置される介在層は、図１に示される例のように、燃料供給室６０の開口を覆うように燃料供給室６０上に積層される第１層１と、第１層１の単位電池３０側表面に積層される第２層２の２層構造であることができる。第１層１は、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが３０ｋＰａ以上の層であり、このような第１層１を燃料供給室６０の開口を覆うように配置することにより、第１層１の細孔内に液体燃料が毛細管力により保持されるため、燃料極１１で発生した副生ガス（ＣＯ2ガスなど）の燃料供給室６０内への侵入を効果的に防止することができる。これにより、燃料極１１への気化燃料の供給量が低下したり、気化燃料の安定的供給が阻害されたりすることを防止できるため、燃料電池の出力安定性を良好に維持することができる。また、副生ガスが浸入し燃料供給室６０の内圧が上昇することによる構成部材間の界面での剥離や、構成部材の破壊を抑制できることから、燃料電池の信頼性を向上させることができる。
【００２７】
また、第１層１の設置は次の点でも有利である。
（ａ）燃料貯蔵室７０から燃料供給室６０内への液体燃料の輸送を、第１層１の毛細管力を利用して行なうことができるため、液体燃料のパッシブ供給が可能となる。これにより、液体燃料を送液するためのポンプ等の補機を省略することができる。また、毛細管力による燃料供給が可能になることにより、燃料供給の方向依存性をなくすことができる（すなわち、燃料電池の使用時における向きに関係なく、発電を行なうことができる。）。
【００２８】
（ｂ）高分子材料などの熱伝導性の低い材料を第１層に用いる場合には、第１層内に保持された液体燃料は、発電部の急激な温度上昇に対する影響を受けにくくなり、その温度上昇が緩慢となる。その結果、第１層内に保持された液体燃料を比較的低い温度に安定的に維持できるようになるため、燃料極に供給される気化燃料の供給量を安定させることができる。このことは、燃料電池の信頼性向上に寄与する。
【００２９】
（ｃ）第１層面内に均一に液体燃料が広がり保持されるため、燃料極面に対して、均一に気化燃料を供給することができ、発電部に対し燃料の局所的な過剰供給や、燃料不足となることがないため、触媒等の材料劣化が抑えられる。このことは、出力向上および燃料電池の信頼性向上に寄与する。
【００３０】
（ｄ）ポンプ等の圧送手段を用いて燃料貯蔵室７０に収容された液体燃料を燃料供給室６０に圧送するなどの方法によって燃料供給室６０内の圧力を高めることにより、燃料極１１で発生した副生ガスが燃料供給室６０内へ浸入することをある程度防止することが可能であるが、第１層１による浸入防止の効果がこれを凌駕するため、燃料供給室６０内の内圧を高める必要がない。これにより、内圧上昇による液漏れの危険性を回避することができ、燃料電池の信頼性を向上させることができる。
【００３１】
（ｅ）燃料極１１内の内圧が上がっても副生ガスの侵入のおそれがないことから、副生ガス排出部９０を構成する貫通穴の径をより小さくすることができる。これにより未使用の気化燃料の排出を低減できることから、燃料の利用効率を向上させることができる（この効果については後で詳述する）。
【００３２】
ここで、バブルポイントとは、液媒体で濡らした層（膜）の裏側から空気圧をかけたときに、層（膜）の表面に気泡の発生が認められる最小圧力である。バブルポイントが高いほど気体の透過性は低い。バブルポイントΔＰは、下記式（１）：
ΔＰ［Ｐａ］＝４γｃｏｓθ／ｄ          （１）
（γは測定媒体の表面張力［Ｎ／ｍ］、θは層（膜）の素材と測定媒体との接触角、ｄは層（膜）が有する最大細孔径である。）
によって定義される。本発明においてバブルポイントは、測定媒体をメタノールとし、ＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠して測定される。
【００３３】
副生ガスの燃料供給室６０内への侵入を効果的に防止する観点から、第１層１のバブルポイントは、好ましくは５０ｋＰａ以上であり、より好ましくは１００ｋＰａ以上である。第１層１のバブルポイントは、上記（１）から理解されるように、第１層１として用いる材料の細孔径や接触角の調整により制御可能である。
【００３４】
３０ｋＰａ以上のバブルポイントを達成するために、第１層１が有する細孔の最大細孔径は、１μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であることがより好ましい。最大細孔径は、上記バブルポイントを測定することで得られるが、それ以外の手法としては水銀圧入法によって測定することができる。ただし、水銀圧入法では０．００５μｍ〜５００μｍの細孔分布しか測定できないため、この範囲外の細孔は存在しない、もしくは無視できる場合に有効な測定手段である。
【００３５】
第１層１としては、たとえば、高分子材料、金属材料または無機材料などからなる多孔質層や、高分子膜を挙げることができ、具体例を示せば以下のとおりである。
【００３６】
１）次の材料からなる多孔質層。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；セルロースアセテート、ニトロセルロース、イオン交換セルロース等のセルロース系樹脂；ナイロン；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテルエーテルケトン；ポリエーテルスルホン；ガラス；セラミックス；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチール等の金属材料。多孔質層は、これらの材料からなる発泡体、焼結体、不織布または繊維（ガラス繊維等）などであることができる。
【００３７】
２）次の材料からなる高分子膜。パーフルオロスルホン酸系重合体；スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系重合体などの電解質膜材料として用いることができるもの。これらの高分子膜は、３次元的に絡み合う高分子間の隙間として、ナノオーダーの細孔を有している。
【００３８】
第１層１を構成する材料として高分子材料を用いる場合には、親水性官能基を導入するなどの方法により親水化処理を施し、細孔表面の水（したがってメタノールもしくはメタノール水溶液等の燃料）に対する濡れ性を高めることにより、第１層１のバブルポイントを高めることもできる。また、第１層１に親水化処理を施すことにより、より低い圧損で液体燃料を燃料供給室６０内において流通させることができる。
【００３９】
第１層１の厚みは特に制限されないが、燃料電池の薄型化の観点から、好ましくは２０〜５００μｍであり、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【００４０】
第１層１には、副生ガス排出部９０の一部を形成する第２貫通穴９２が設けられる。第２貫通穴９２は、第１層１を箱筐体４０上に積層したときに、第１貫通穴９１と連通するような位置（すなわち、第１貫通穴９１の直上）に形成される。
【００４１】
（２）第２層
第１層１の単位電池３０側表面に積層される第２層２は、気化燃料透過性かつ液体燃料不透過性の疎水性を有する多孔質層であり、燃料極１１への燃料の気化供給を可能とする層（気液分離層）である。第２層２は、燃料極１１へ供給される気化燃料の量または濃度を適切量に制御（制限）するとともに、均一化する機能を有する。第２層２を設けることにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
【００４２】
第２層２としては、使用する燃料に関して気液分離能を有するものであれば特に制限されないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔質膜または多孔質シートを挙げることができ、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【００４３】
第２層２は、気化燃料透過性を有するものであることから、第１層１よりも小さいバブルポイントを有している。第２層２の上記測定方法に従うバブルポイントは好ましくは１０ｋＰａ以下であり、第２層２に対するメタノールの接触角は大きいほど良く、好ましくは４５度以上であり、より好ましくは９０度程度以上である。また、気化燃料透過性および液体燃料不透過性を付与する観点から、第２層２が有する細孔の最大細孔径は、０．１〜１０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることがより好ましい。第２層２が有する細孔の最大細孔径は、第１層１と同様、メタノール等を用いてバブルポイントを測定することにより求めることができる。
【００４４】
第２層２の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、第２層２の厚みは、５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【００４５】
〔電解質膜〕
膜電極複合体２０を構成する電解質膜１０は、燃料極１１から空気極１２へプロトンを伝達する機能と、燃料極１１と空気極１２との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子社製）などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜などを用いることもできる。
【００４６】
無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。
【００４７】
電解質膜１０の厚みはたとえば１〜２００μｍである。また、電解質膜１０のＥＷ値（プロトン官能基１モルあたりの乾燥重量）は、８００〜１１００程度であることが好ましい。ＥＷ値が小さいほど、プロトン移動に伴う電解質膜の抵抗が小さくなり高い出力を得ることができる。
【００４８】
〔燃料極および空気極〕
電解質膜１０の一方の表面に積層される燃料極１１および他方の表面に積層される空気極１２には、少なくとも触媒と電解質とを有する多孔質層からなる触媒層が設けられる。燃料極１１用の触媒は、メタノール水溶液等の液体燃料からプロトンと電子とを生成する反応を触媒し、電解質は、生成したプロトンを電解質膜１０へ伝導する機能を有する。空気極１２用の触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと空気中の酸素から水を生成する反応を触媒する。
【００４９】
燃料極１１および空気極１２用の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されたものでもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性の官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、燃料極１１および空気極１２の保水性を向上させることができる。また、燃料極１１および空気極１２の電解質は、電解質膜１０のＥＷ値よりも小さなＥＷ値を有する材料からなることが好ましく、具体的には、電解質膜１０と同質材料であるが、ＥＷ値が４００〜８００である電解質材料が好ましい。このような電解質材料を用いることによっても、燃料極１１および空気極１２の保水性を向上させることができる。燃料極１１および空気極１２の保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜１０の抵抗や燃料極１１および空気極１２における電位分布を改善することができる。また、ＥＷ値の低い電解質は同時に液体燃料の透過性も高いことから、ＥＷ値の低い電解質を用いることにより、燃料極１１の触媒層に均一に気化燃料を供給することができる。
【００５０】
燃料極１１および空気極１２はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層を備えていてもよい。これらの導電性多孔質層は、燃料極１１、空気極１２に供給されるガス（気化燃料または空気）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００５１】
〔アノード集電層およびカソード集電層〕
アノード集電層２１、カソード集電層２２はそれぞれ、燃料極１１上、空気極１２上に積層され、膜電極複合体２０とともに単位電池３０を構成する。アノード集電層２１およびカソード集電層２２はそれぞれ、燃料極１１、空気極１２における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；およびこれらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。なお、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層が、たとえば金属等からなり、導電性が比較的高い場合には、アノード集電層およびカソード集電層は省略されてもよい。
【００５２】
より具体的には、アノード集電層２１は、気化燃料を燃料極１１へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。この貫通孔は、燃料極１１の触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）を副生ガス排出部９０へ誘導するための経路としても機能する。同様に、カソード集電層２２は、燃料電池外部の空気を空気極１２の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
【００５３】
〔燃料供給室〕
燃料供給室６０は、後述する燃料貯蔵室７０とともに、燃料収容および燃料供給の役割を果たす燃料供給部を構成する部位であり、好ましくは燃料極１１の直下に配置される。図１に示される本実施形態の燃料電池１００において、燃料供給室６０は、燃料極１１の燃料貯蔵室７０側端部からこれと反対側の端部までの長さと同じかまたはそれ以上の長さを有しており、燃料極１１の幅と同じかまたはそれ以上の幅を有する空間からなる。燃料供給室６０の高さ（深さ）は特に制限されない。
【００５４】
本実施形態の燃料電池１００において燃料供給室６０は、単位電池３０の下部に介在層に接するように配置された、燃料供給室６０の内部空間を構成する凹部を有する箱筺体４０と、介在層とによって形成されている。なお、図１に示される箱筺体４０は、燃料供給室６０を構成する部位とともに、燃料貯蔵室７０の底壁および側壁を構成する部位を一体として有しているが、これに限定されるものではなく、燃料供給室６０を構成する部材と燃料貯蔵室７０を構成する部材とは異なる部材であってもよい。
【００５５】
箱筺体４０は、プラスチック材料または金属材料を用いて、少なくとも燃料供給室６０の内部空間を構成する凹部を有するように適宜の形状に成形することによって作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。これらのなかでも、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレン（ＰＥ）は、３次元架橋による分子量増加により強度が高く安価に加工ができ、また軽量であることから好ましく用いられる。
【００５６】
〔副生ガス排出部〕
本実施形態の燃料電池１００は、燃料極１１で生じた副生ガスを燃料電池外部に排出するための副生ガス排出部９０を有している。本実施形態において副生ガス排出部９０は、箱筺体４０の側壁を厚み方向に貫通する第１貫通穴９１と、第１層１を厚み方向に貫通する第２貫通穴９２とからなる（図４および図５参照）。第２貫通穴９２は第１貫通穴９１の直上に配置され、これらの貫通穴は連通している。副生ガス排出部９０を設けることにより、燃料極１１内の過度の内圧上昇を防止することができる。
【００５７】
上述のように本発明の燃料電池では、介在層を備えることにより燃料供給室６０内への副生ガスの侵入が効果的に防止されているため、仮に燃料極１１内の内圧が上昇した場合でも副生ガスが燃料供給室６０内へ侵入するおそれがない。したがって、副生ガス排出部９０を構成する貫通穴の径をより小さくして、燃料極１１内の内圧がある程度上昇することを許容できるという利点がある。副生ガス排出部９０は、未使用の気化燃料（燃料極１１に到達する前の気化燃料）が燃料電池外部に排出されるルートを提供し得るが、副生ガス排出部９０を構成する貫通穴の小径化は、未使用気化燃料の排出量低減に極めて有利であり、これにより燃料の利用効率を向上させることができる。従来の燃料電池では、副生ガスの燃料供給室内への侵入を防止する手段を持たなかったため、副生ガスを排出させるための経路を設ける場合、燃料極１１内の内圧上昇を防止するために、その径を大きくせざるを得ず、燃料利用効率が低下していた。
【００５８】
なお、副生ガスを燃料電池外に排出させるための手段は、本実施形態の燃料電池１００が有する、図４および図５に示されるような第１貫通穴９１および第２貫通穴９２からなる副生ガス排出部９０に限定されず、燃料極１１の近傍から燃料電池外部へと延びる何らかの経路であればよい。たとえば、箱筐体４０の第１貫通穴９１上には介在層を配置せず（介在層のサイズを小さくする）、その分、第１貫通穴９１をアノード集電層２１まで延ばした構造であってもよい。この場合、副生ガス排出部は、第１貫通穴９１のみからなり、第２貫通穴９２を有しない。また、電解質膜に厚み方向に貫通する貫通穴を設け、副生ガスを空気極側へ排出してもよい。該貫通穴から排出された副生ガスが空気極で酸化され、燃料電池の出力特性を低下させたり、空気が過剰に消費されたりしないよう、該貫通穴の直上の位置に空気極が形成されない領域を設ける構造であってもよい。この場合、副生ガス排出部は、電解質膜の貫通穴および空気極が形成されない領域の連続した空間からなり、副生ガスは空気極側へ排出される。
【００５９】
〔燃料貯蔵室〕
燃料貯蔵室７０は、好ましくは単位電池３０および燃料供給室６０の側方に配置される、液体燃料を収容するための室である。本実施形態の燃料電池１００において燃料貯蔵室７０は、カソード集電層２２上に積層され、複数の開口５１を有する蓋筺体５０、箱筺体４０、単位電池３０および介在層によって形成されている。単位電池３０および介在層の燃料貯蔵室側端面は、燃料貯蔵室７０内に収容された燃料が侵入しないよう、エポキシ系硬化性樹脂組成物の硬化物などからなる封止層８０によって封止されている。
【００６０】
なお、燃料貯蔵室７０は、これら蓋筺体５０および箱筺体４０を用いて構成する必要性は必ずしもなく、たとえば、燃料貯蔵室７０の上壁（天井壁）、側壁および底壁を形成する部位を一体として含む１つの部材から構成することもできる。
【００６１】
本実施形態の燃料電池１００において蓋筺体５０は、燃料貯蔵室７０の上壁（天井壁）を形成するとともに、単位電池３０が直接露出することを防止する保護板として機能している。蓋筺体５０の空気極１２直上部分には、空気を流通させるための複数の開口５１（ただし、開口の数は１以上あればよい）が形成されている。
【００６２】
蓋筺体５０は、プラスチック材料または金属材料を用い、適宜の形状に成形することによって作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。これらのなかでも、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレン（ＰＥ）は、３次元架橋による分子量増加により強度が高く安価に加工ができ、また軽量であることから好ましく用いられる。
【００６３】
燃料貯蔵室７０は、その内部空間と燃料電池外部とを連通する開孔７１を備えることが好ましい。これにより、液体燃料が燃料供給室６０に輸送される場合においても、燃料貯蔵室７０内が大気圧に維持されるため、液体燃料の輸送を円滑に行なうことができる。図１に示される燃料電池１００において開孔７１は、蓋筺体５０を厚み方向に貫通する貫通孔であるが、これに限定されるものではない。
【００６４】
開孔７１からの液体燃料の漏洩を防止するために、開孔７１の開孔径は十分に小さいことが好ましく（たとえば直径１００〜５００μｍ程度、好ましくは１００〜３００μｍ）、あるいは、燃料電池外部への液体燃料の漏出を防止するための気液分離膜（たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンまたはポリエチレン等からなる多孔質膜）を開孔７１内に設けてもよい。
【００６５】
（変形例）
本実施形態の燃料電池は、既述した変形例に限定されるものではなく、たとえば以下のような変形例をも含む。本実施形態で述べた変形例は、後述する他の実施形態にも適用できる。
【００６６】
（１）上記実施形態では、介在層として、燃料供給室の開口を覆うように配置される第１層１と、第１層１上に積層される第２層２との２層構造のものを使用したが、第１層１と同様の機能特性を有する領域と第２層２と同様の機能特性を有する領域を備えた、１層構造のものを介在層として使用することができる。ここでいう「１層構造」とは、１つの部材から構成されており、２つの部材の組み合わせではないことを意味している。このような１層構造の介在層は、２層構造で生じ得る第１層と第２層との密着性不良（隙間の形成）が生じ得ない点で有利である。界面の一部に隙間が形成されると、隙間に副生ガスが滞留して第２層面内において燃料の過剰供給や、燃料不足といった気化燃料の透過量にバラツキが生じたり、副生ガスの圧力で上記隙間が広がり燃料供給室が閉塞し燃料供給を妨げたりするおそれがある。
【００６７】
より具体的には、１層構造の介在層として、その厚み方向における燃料供給室６０側の領域である、上記第１層１と同様の機能特性を有する（測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが３０ｋＰａ以上である）第１領域と、その厚み方向における単位電池３０側の領域である、上記第２層２と同様の機能特性を有する（気化燃料を透過可能な）第２領域とを備えた層を用いることができる。１層構造の介在層が有する第１領域のバブルポイントは、１層構造の介在層のバブルポイントと同義である。第１層１と第２層２との関係と同様、第２領域のバブルポイントは第１領域のそれより小さく、介在層全体としてのバブルポイントは、バブルポイントがより大きい領域のそれと一致するからである。
【００６８】
１層構造の介在層は、たとえば、第２層として使用可能な多孔質層の厚み方向における一方の領域のみを親水化処理して、当該領域のバブルポイントを上げるなどの方法により作製することができる。
【００６９】
このような１層構造の介在層は、２層構造で生じ得る第１層と第２層との密着性不良（隙間の形成）が生じ得ない点で有利である。界面の一部に隙間が形成されていると、第２層面内において気化燃料の透過量にバラツキが生じ、燃料極に対して均一な燃料供給ができず、出力が低下する可能性があるが、１層の構造の介在層であれば、このような問題は生じ得ない。一方、２層構造の介在層を使用する場合には、上記問題に対処するために、ボルト・ナットまたはネジなどの締結部材などを用いて燃料電池を上下面から締め付けることにより、第１層と第２層との密着性を確保することが好ましい。
【００７０】
（２）燃料供給室６０の空間形状は図４に示されるものに限定されない。燃料供給室６０は、たとえば図６に示されるような、枝分かれ状の複数の流路から形成されていてもよい。あるいは、複数のライン状の流路、サーペンタイン状の流路などから形成することもできる。図６は、燃料供給室の他の一例を示す図４と同様の概略断面図である。
【００７１】
（３）図７は燃料供給部の他の一例を示す図４と同様の概略断面図である。図７に示されるように、燃料供給部は、介在層、燃料供給室６０および燃料貯蔵室７０のほか、さらに燃料輸送部材６１を含むものであってもよい。燃料輸送部材６１は、その少なくとも一部が燃料供給室６０内に配置され、燃料貯蔵室７０から燃料供給室６０に毛細管現象を利用して液体燃料を輸送するための部材であり、第１層１の毛細管力を利用した液体燃料輸送を補助する役割を担う。
【００７２】
燃料輸送部材６１は、液体燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる。このような毛細管作用を示す材料としては、アクリル系樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；ナイロン；ポリ塩化ビニル；ポリエーテルエーテルケトン；ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂；セルロースなどの高分子材料（プラスチック材料）からなる不規則な細孔を有する多孔質体；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体が挙げられる。多孔質体としては、上記金属材料からなる不織布、発泡体、焼結体や、上記高分子材料からなる不織布などを挙げることができる。また、上記高分子材料または金属材料からなり、毛細管として表面に規則的なまたは不規則なスリットパターン（溝パターン）を有する板状体を燃料輸送部材６１として用いることもできる。
【００７３】
燃料輸送部材６１が有する細孔の細孔径は、重力に対して十分な毛細管現象が生じ、良好な吸い上げ高（燃料輸送部材の一端を液体燃料に浸漬したときの、毛細管現象による液体燃料の当該部材における到達可能位置を意味する）および吸い上げ速度（燃料輸送部材の一端を液体燃料に浸漬したときの、単位時間当たりに吸い上げられる液体燃料の体積を意味する）を得るために、０．１〜５００μｍとすることが好ましく、１〜３００μｍとすることがより好ましい。なお、燃料輸送部材６１が有する細孔の細孔径は、水銀圧入法により測定される径である。
【００７４】
燃料輸送部材６１を構成する毛細管作用を示す材料としては、上記吸い上げ高および吸い上げ速度の観点から、３０分後の揚水距離が１０ｃｍ以上であるものを用いることが好ましく、１５ｃｍ以上であるものを用いることがより好ましい。このようなものとしては、王子キノクロス（株）製の「ハトシート」、東レ（株）製の「導水シート」などがある。揚水距離とは、フェルト試験片の下端２ｃｍを温度２５℃の水中に浸し、一定時間（３０分）放置後の水の到達高さを意味する。
【００７５】
燃料輸送部材６１の形状は、図７に示されるような短冊形状（より具体的には直方体形状）限定されず、燃料電池全体の形状、膜電極複合体の形状または燃料供給室の形状等に応じた適宜の形状とすることができる。直方体形状以外の他の例として、たとえば立方体形状、一端から他端に向かうに従い、幅が連続的または段階的に小さくまたは大きくなる形状（表面が台形や三角形である形状等）などの短冊形状が挙げられる。
【００７６】
燃料輸送部材６１の長さ（燃料貯蔵室７０側の一端からこれに対向する他端までの距離）は特に制限されず、燃料電池全体の形状、膜電極複合体の形状または燃料供給室の形状等に応じた適宜の長さとすることができるが、燃料輸送部材６１の一端を燃料貯蔵室７０に保持された液体燃料に接触可能な位置に配置したときに、その他端が燃料極１１（または第１層１）の端部（燃料貯蔵室７０側とは反対側の端部）の略直下の位置に配置されるような長さまたはそれ以上の長さを有していることが好ましい。
【００７７】
なお、「液体燃料に接触可能な位置」とは、図７に示されるように、燃料輸送部材６１の一端が燃料貯蔵室７０内部に位置する場合のほか、燃料輸送部材６１の一端が燃料供給室６０と燃料貯蔵室７０とを仕切る壁（箱筺体４０の一部分である）の内部に位置する場合などを含む。
【００７８】
（４）燃料供給部は、燃料供給室と燃料貯蔵室とを含むものに限定されない。たとえば、燃料供給室６０が液体燃料を収容する燃料貯蔵室７０を兼ねた構成とし、燃料貯蔵室７０（および燃料輸送部材６１）を省略してもよい。
【００７９】
（５）燃料電池の層構成は、図１〜５に示されるものに限定されるものではなく、たとえば図８に示されるような、燃料供給室６０の両面に単位電池３０が配置された構成であってもよい。図８は、燃料供給室６０の両面に単位電池３０が配置された燃料電池の一例を示す、図５と同様の概略断面図である。かかる構成においては、燃料供給室６０は、上下２つの燃料極１１に対して燃料を供給するために、上下面ともに開放されている必要があることから、箱筺体４０として、上下面が開いた空間を有する部材が用いられる。このような燃料供給室６０の両面に単位電池３０が配置された燃料電池は、２つの単位電池に対して１つの燃料供給部で足りることから、燃料電池の薄型化を図ることができるとともに、燃料電池の単位体積当たりの出力を向上させることができる。なお、図８に示される実施形態においては、図示されるように、第１貫通穴９１は、これに接続され、箱筐体４０の側壁を横方向に延びる排出経路を有しており、副生ガスはこの排出経路を通って箱筐体４０の側面から排出させることができる。
【００８０】
（６）燃料電池は、同一平面上に配列された単位電池３０を２以上含むものであってもよい。この場合において、燃料供給室６０は、単位電池３０ごとに設けられてもよいし、単位電池３０より少ない数だけ設けられてもよい。
【００８１】
（７）燃料電池の外形形状は、上記実施の形態の形状に限定されるものではない。たとえば、燃料電池の厚み方向からみたときの形状（平面形状）は、長方形のほか、正方形などであることができる。
【００８２】
（８）燃料電池は、燃料貯蔵室に収容された液体燃料を燃料供給室に圧送するためのポンプなどの圧送手段を備えることができる。燃料供給室内を短時間で満たすことができるため、燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００８３】
＜第２の実施形態＞
図９は本実施形態の燃料電池を示す概略断面図である。本実施形態の燃料電池２００は、燃料供給室６０と単位電池３０との間に配置される介在層が、第３層３をさらに含むこと以外は上記第１の実施形態と同様である。図１０は、燃料電池２００で使用されている第３層３を示す概略上面図である。以下、本実施形態の特徴である第３層について詳細に説明する。なお、上記第１の実施形態で述べた各種変形例は、本実施形態にも同様に適用することができる。
【００８４】
第３層は、第１層と第２層との間に配置され、液体燃料が透過可能な厚み方向に貫通する貫通孔を有する層であり、少なくとも第１層と第２層とを密着性良く面接合する役割を担い、好ましくは第２層側への液体燃料透過量を調整（制限）する機能を有する。第３層のとしては、たとえば図９および図１０に示されるような、厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性シート（フィルム）を用いることができ、材料としては熱可塑性樹脂が好ましく例示できる。これを用いて、第１層／第３層／第２層からなる積層体を熱圧着することにより、各層間を密着性良く面接合することができる。介在層が第３層としての厚み方向に貫通する貫通孔を有し、面接合が可能な非多孔性シートを有する燃料電池は、以下の点において有利である。
【００８５】
（ａ）第３層を介して第１層と第２層とを密着性良く接合することができるため、第１層と第２層との間に副生ガスが滞留することがなく、第２層面内における気化燃料透過量のバラツキを抑制することができ、これにより燃料極に対して均一な燃料供給を行なうことができ、出力を向上させることが可能になる。また、第３層が樹脂からなる場合は、発電部の急激な温度上昇に対し、熱を液体燃料に伝達しにくくする効果がある。その結果、液体燃料の温度上昇が緩慢となり、液体燃料を比較的低い温度に安定的に維持できるようになるため、燃料極に供給される気化燃料の供給量を安定させることができる。このことは、燃料電池の信頼性向上に寄与する。
【００８６】
（ｂ）第３層に形成される貫通孔の数や開孔径により、第２層側への液体燃料透過量、ひいては燃料極への気化燃料供給量を適切な量に調整（制限）することができる。これにより、燃料のクロスオーバーの防止または抑制、および燃料供給の安定化を図ることができる。貫通孔の数は特に制限されないが、複数個存在することが好ましく、第２層面内における気化燃料透過量を均一化する観点から、これらを第３層における燃料供給室（箱筐体の凹部）の直上の領域に均一に分布させることが好ましい。貫通孔の開孔径（直径）は、たとえば、０．１〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００８７】
（ｃ）第３層により第１層と第２層との間の良好な面接合が可能であるため、ボルト・ナットまたはネジなどの締結部材などを用いた燃料電池の締め付けが不要となり、燃料電池の薄型化を図ることができる。
【００８８】
（ｄ）熱圧着により容易に介在層を作製することができるため、燃料電池製造工程の簡略化、製造効率の向上を図ることができる。
【００８９】
上述の熱可塑性樹脂シートのほか、第３層は、たとえば次のものから形成されるものであってもよい。
【００９０】
１）接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層、たとえば、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などの接着剤から形成される多孔質層。当該接着剤を用いる場合、第３層は、接着剤層、すなわち、当該接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。このような第３層を用いる場合であっても、上記（ａ）〜（ｃ）と同様の効果を得ることができる。第２層側への液体燃料透過量は、多孔質層が有する細孔によって調整（制限）される。
【００９１】
２）厚み方向に貫通する貫通孔を有する、好ましくは非多孔性の金属板を含むもの。この場合、金属板の両面には、第１層および第２層との良好な密着性を確保するために、接着剤層が形成され、したがって、第３層は、接着剤層／金属板／接着剤層の３層構造となる。接着剤層は、接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。接着剤は、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などであることができる。このような第３層を用いる場合であっても、上記（ａ）〜（ｃ）と同様の効果を得ることができる。第２層側への液体燃料透過量は、熱可塑性樹脂シートの場合と同様、金属板に形成される貫通孔の数や開孔径により調整（制御）できる。接着剤層は貫通孔を塞がないように形成されることが好ましい。貫通孔の数は特に制限されないが、複数個存在することが好ましく、第２層面内における気化燃料透過量を均一化する観点から、これらを金属板における燃料供給室（箱筐体の凹部）の直上の領域に均一に分布させることが好ましい。貫通孔の開孔径（直径）は、たとえば、０．１〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００９２】
厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性シート（フィルム）を第３層とする場合や、厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性金属板を含むものを第３層とする場合には、第１層の第２貫通穴の直上の位置にも貫通孔を形成し、該貫通孔と、箱筐体の第１貫通穴および第１層の第２貫通穴とによって副生ガス排出部を構築する。一方、接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層を第３層とする場合は、貫通孔の加工は特段不要である。
【００９３】
本発明の燃料電池は、固体高分子型燃料電池またダイレクトアルコール型燃料電池などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池（とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池）として好適である。本発明の燃料電池において使用することのできる液体燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類；ジメトキシメタンなどのアセタール類；ギ酸などのカルボン酸類；ギ酸メチルなどのエステル類；ならびにこれらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。
【００９４】
本発明の燃料電池は、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。
【実施例】
【００９５】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００９６】
＜実施例１＞
以下の手順で図１と類似の構成を有する燃料電池を作製した。
【００９７】
（１）膜電極複合体の作製
Ｐｔ担持量３２．５重量％、Ｒｕ担持量１６．９重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、電解質である２０重量％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、ｎ−プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、燃料極用の触媒ペーストを調製した。また、Ｐｔ担持量４６．８重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用い、燃料極用の触媒ペーストと同様にして空気極用の触媒ペーストを調製した。
【００９８】
また、縦２３ｍｍ、横２８ｍｍに切り出したカーボンペーパー（ＧＤＬ２５ＢＣ、ＳＧＬ社製）を２枚用意し、それぞれアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層とした。
【００９９】
上記アノード導電性多孔質層上に、上記の燃料極用触媒ペーストを触媒担持量が約３ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２ｍｍ、横２７ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約１００μｍの燃料極１１を作製した。また、カソード導電性多孔質層上に、上記の空気極用触媒ペーストを触媒担持量が約１ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦２２ｍｍ、横２７ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約５０μｍの空気極１２を作製した。
【０１００】
次に、厚さ約１７５μｍのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜（ナフィオン（登録商標）１１７、デュポン社製）を縦２３ｍｍ、横２８ｍｍに切断して電解質膜１０とし、上記燃料極１１と電解質膜１０と上記空気極１２とをこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１０に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、２分間の熱圧着を行ない、燃料極１１および空気極１２を電解質膜１０に接合した。上記重ね合わせは、燃料極１１と空気極１２の電解質膜１０の面内における位置が一致するように、かつ燃料極１１と電解質膜１０と空気極１２の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体の端部を切断することにより、縦２２ｍｍ、横２７ｍｍの膜電極複合体２０を作製した。
【０１０１】
（２）単位電池の作製
厚さ１００μｍ、縦２２ｍｍ、横２７ｍｍのステンレス板（ＮＳＳ４４５Ｍ２、日新製鋼社製）を用意し、この中央領域に、開孔径φ０．６ｍｍである複数の貫通孔（開孔パターン：千鳥６０°ピッチ０．８ｍｍ）を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を２枚作製した。ついで、耐食性向上と電気抵抗低減のため、これらのステンレス板の表面に金メッキを施し、それぞれアノード集電層２１およびカソード集電層２２とした。なお、アノード集電層２１およびカソード集電層２２には、評価時に電流を掃引するための電気的接点が設けられている。
【０１０２】
次に、上記アノード集電層２１を燃料極１１上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層２２を空気極１２上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、縦２２ｍｍ、横２７ｍｍの単位電池３０を作製した。なお、アノード集電層２１およびカソード集電層２２は、それらの貫通孔が形成された領域がそれぞれ燃料極１１、空気極１２の直上に配置されるように積層した。
【０１０３】
（３）介在層の作製
介在層の第１層１として、図１１に示したような縦２５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのポリフッ化ビニリデンからなる多孔質フィルム（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ製のデュラポアメンブレンフィルター）を用いた。この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は０．１μｍであり、またＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１１５ｋＰａであった。
【０１０４】
図１１に示されるように、第１層１は、「穴群Ａ」（点線枠で囲まれた領域に含まれる５個）と記した厚み方向に貫通する貫通穴（内径１．０ｍｍ）と、「穴群Ｂ」（他の点線枠で囲まれた領域に含まれる１２個）と記した厚み方向に貫通する貫通穴（内径１．０ｍｍ）とを有している。穴群Ａは、第１層の下に配置される燃料供給室内に液体燃料が入る際、燃料供給室内に存在する空気を抜くための穴である（空気を抜くことにより液体燃料が入る）。穴群Ａを設けると、第１層が完全に燃料で濡れた後も燃料供給室内の空気を抜くことが可能であるため、燃料供給室に空気が滞留することはなく、燃料供給室内は常に液体燃料で満たされることになる。なお、単位電池３０は、この穴群Ａ上には配置されないため、副生ガスが穴群Ａを通って燃料供給室内に侵入することはない。一方、穴群Ｂは、副生ガスを燃料電池外に排出するための上述の「第２貫通穴９２」であり、副生ガス排出部の一部を構成する。
【０１０５】
また、介在層の第２層２として、図１２に示したような縦２５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」）を用いた。この多孔質フィルムのＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１８ｋＰａであった。
【０１０６】
上記第１層１上に第２層２を積層し（図１１、１２のＡ−Ａ’面が一致するように積層）、すべての側面の層境界部を接着剤で接合して介在層を作製した。介在層のバブルポイントは、これを構成する層のうち最もバブルポイントの大きい層の値と一致する。したがって、本実施例の介在層のバブルポイントは１１５ｋＰａである。
【０１０７】
（４）燃料供給部の作製
図１３に示したような、一方の面に縦２３．５ｍｍ、横１．０ｍｍ、深さ０．４ｍｍの凹部（燃料供給室となる空間）が５本形成され、さらに内径１．０ｍｍの第１貫通穴９１が図示される位置に合計１２個形成された縦３０ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．６ｍｍの箱筺体４０を用意した。この箱筺体４０は、図１に示されるものと同様の形状を有しており、燃料供給室６０となる凹部側方に燃料貯蔵室７０を構成する凹部を備えたものである。介在層の第１層１側が箱筐体４０側になるよう、ポリオレフィン系接着剤を介して箱筺体４０の凹部上に介在層を積層させた後（図１１〜１３のＡ−Ａ’面が一致するように積層）、熱圧着を行なうことにより、介在層と箱筺体４０とを接合した。第１層１の第２貫通穴９２（穴群Ｂ）は、箱筺体４０の第１貫通穴９１の直上に配置されている。
【０１０８】
（５）単位電池、燃料供給部の端面の封止
単位電池３０の長辺側端面が、燃料供給部（介在層および箱筐体４０）のＡ−Ａ’面と重なるように単位電池３０を介在層上に積層した。次に、単位電池３０および燃料供給部の双方の端面に、マスクを用いて、エポキシ樹脂を含有する塗布液を塗布し硬化させることにより、エポキシ樹脂からなる封止層で被覆した。これにより、燃料電池外部から燃料極に空気が入ったり、燃料が燃料電池外部へ漏れたりすることを防ぐことができる。
【０１０９】
（６）燃料電池の作製
単位電池３０および介在層の燃料貯蔵室側端面に、エポキシ樹脂を塗布し硬化させることにより、封止層８０（燃料侵入防止層）を形成した。最後に、空気極１２に空気を供給するための開口５１と、開孔７１（圧力調整孔）とを備えた蓋筐体５０を、単位電池３０上に配置することにより燃料電池を得た。
【０１１０】
＜実施例２＞
介在層の第１層１として、実施例１で用いた多孔質フィルムと同じ形状（図１１に示される形状であり、穴群Ａおよび穴群Ｂを有している）、厚みおよび材質であるが細孔の最大細孔径が異なる多孔質フィルム（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ製のデュラポアメンブレンフィルター  フィルターコード：ＤＶＰＰ）を用いた。この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は０．６５μｍであり、またＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、４２ｋＰａであった。
【０１１１】
第２層２として実施例１と同じものと用い、上記第１層１上に第２層２を積層し（図１１、１２のＡ−Ａ’面が一致するように積層）、すべての側面の層境界部を接着剤で接合して介在層を作製した。この介在層を燃料供給部に適用したこと以外は実施例１と同様にして燃料電池を得た。本実施例の介在層のバブルポイントは、４２ｋＰａである。
【０１１２】
＜実施例３＞
以下の手順で図９と類似の構成を有する燃料電池を作製した。
【０１１３】
介在層の第３層３として、図１４に示したような縦２５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．０７ｍｍの熱可塑性フィルム（日東シンコー（株）製の「ＦＢ−ＭＬ４」）を用いた。この第３層３は、「穴群Ｃ」（点線枠で囲まれた領域に含まれる２５個）と記した厚み方向に貫通する貫通穴（内径１．０ｍｍ）を有するとともに、第１層１に設けられた穴群ＡおよびＢの直上の位置にも同じ数だけ貫通穴（内径１．０ｍｍ）を有している（図１４参照）。第３層３を構成するフィルム自体は燃料不透過性であるが、燃料は穴群Ｃを通って第１層１側から第２層２側へ透過可能である。
【０１１４】
第１層１および第２層２として実施例１と同じものと用い、第１層１、第３層、第２層の順に積層し（図１１、１２および１４のＡ−Ａ’面が一致するように積層）、１３０℃、１０分間の熱圧着を行ない、介在層を作製した。この介在層を燃料供給部に適用したこと以外は実施例１と同様にして燃料電池を得た。本実施例の介在層のバブルポイントは１１５ｋＰａである。
【０１１５】
＜比較例１＞
介在層の第１層として、縦２５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍの超高分子量ポリエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「サンマップ  ＬＣシリーズ」）を用いること以外は実施例１と同様にして介在層を作製し、この介在層を用いること以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本比較例で用いた第１層のＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、８ｋＰａであった。本比較例の介在層のバブルポイントは１８ｋＰａである（第２層のバブルポイントに相当）。
【０１１６】
（燃料電池の発電特性評価）
燃料としてメタノール水溶液を用いパッシブ供給にて燃料供給を行ない、得られた燃料電池を稼動させ、充放電装置（菊水電子工業（株）製の「ＳＰＥＣ２０５２６」）を用いてＩ−Ｖ測定を行ない、最大瞬間出力を評価するとともに、同装置を用いて定電流測定（電流密度７５ｍＡ／ｃｍ2）を行なった。定電流負荷を与えた５ｍｉｎ後の電圧を基準にして、測定２ｈｒ後の電圧と当該基準電圧との差によって出力安定性を評価した。電圧の差が大きいほど、副生ガスが燃料供給室に侵入することなどに起因して出力安定性を欠いていることとなる。
【０１１７】
供給するメタノール水溶液の濃度は、実施例１、２および比較例１の燃料電池については、１２ｍｏｌ／ｄｍ3とした。一方、実施例３の燃料電池については、介在層の第３層によりメタノールクロスオーバーが抑制され、実施例１、２および比較例１と同じ濃度の燃料を用いた場合、相対的に電池温度が低くなるため、実施例１、２および比較例１と同等の電池温度となる濃度２３ｍｏｌ／ｄｍ3のメタノール水溶液を燃料として用いた。
【０１１８】
【表１】
0005685463.tif 000002
【０１１９】
実施例１の燃料電池は、瞬間最大出力としては比較例１と同程度であるものの、出力安定性において優れるものであった。介在層のバブルポイントが大きいことから、副生ガスが燃料供給室に侵入することがなく、安定した燃料供給が可能となったためと考えられる。実施例２の燃料電池は、瞬間最大出力、出力安定性のいずれも実施例１と同程度であった。実施例１と同様に、副生ガスが燃料供給室に侵入することなく、安定した燃料供給が可能となったためと考えられる。実施例３の燃料電池は、瞬間最大出力、出力安定性のいずれにおいても優れるものであった。瞬間最大出力が向上したのは、より高濃度の燃料を使用できるようになったため、燃料供給が良好となり限界電流密度が向上したためと考えられる。また、実施例３の燃料電池は、実施例１と比較してさらに出力安定性が向上しているが、これは、第１層と第２層が、第３層によって面接合されていることにより第１層と第２層の間に隙間が生じにくくなり、より安定した燃料供給がなされたためと考えられる。比較例１の燃料電池では、出力安定性が低すぎて２ｈｒの定電流負荷を行なうことができず、セル電圧が０．１Ｖ以下となったため測定を終えた（５ｍｉｎ後と比較した電圧差は０．３Ｖ以上）。
【符号の説明】
【０１２０】
１  第１層、２  第２層、３  第３層、１０  電解質膜、１１  燃料極、１２  空気極、２０  膜電極複合体、２１  アノード集電層、２２  カソード集電層、３０  単位電池、４０  箱筺体、５０  蓋筺体、５１  開口、６０  燃料供給室、６１  燃料輸送部材、７０  燃料貯蔵室、７１  開孔、８０  封止層、９０  副生ガス排出部、９１  第１貫通穴、９２  第２貫通穴、１００，２００  燃料電池。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005685463.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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